Из мягкого гидрогеля напечатали анатомически точную модель сердца в натуральную величину

Американские ученые впервые напечатали анатомически точную модель сердца в натуральную величину из мягкого гидрогеля. Такие модели нужны для обучения хирургов и планирования сложных операций, поэтому материал для них должен быть максимально похожим на настоящую сердечную мышцу. В поисках идеальной текстуры авторы работы испытали девять разных материалов на основе природного полимера альгината, а чтобы предотвратить деформацию мягких моделей, напечатали их внутри сосуда с желатином. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Biomaterials Science and Engineering.

Современные технологии 3D-печати уже широко используются в разных областях медицины, в том числе в кардиохирургии. Трехмерные модели сердец можно использовать для обучения молодых хирургов, а если сделать такую модель анатомически точной (созданной на основе снимков конкретного пациента), с ее помощью будет гораздо проще спланировать и провести сложную операцию. Слабым местом новой технологии пока остается выбор материалов. 

Сейчас хирурги используют макеты сердец из пластика, которые для тренировок подходят не очень хорошо — этот материал более жесткий, чем сердечная мышца, поэтому работать с ним проще и тренировочная операция не в полной мере воспроизводит реальную. Однако, создать модель сердца в натуральную величину из более мягкого и пластичного материала, максимально схожего с настоящей сердечной мышцей, пока никому не удавалось. Такие материалы деформируются под действием силы тяжести прямо в процессе печати, которая для таких сложных моделей занимает несколько десятков часов.

Американские ученые под руководством Адама Фейнберга (Adam W. Feinberg) из Университета Карнеги — Меллона впервые напечатали на 3D-принтере макет сердца в натуральную величину из мягкого материала. Несколько лет назад авторы разработали собственную технологию экструзионной печати гидрогелями — гелевыми композитами на основе гидрофильных полимеров и воды. Чтобы предотвратить деформацию готовых объектов, их печатали внутри сосуда, заполненного желатином. Шприц, наполненный гидрогелем, перемещался сквозь мягкий желатин, выходящий из него материал сразу же загустевал, а желатиновая матрица поддерживала напечатанный фрагмент, не давая ему деформироваться под действием силы тяжести. После окончания печати сосуд с желатином нагревали до температуры 37 градусов Цельсия, при этом желатин становился жидким и готовую модель сердца можно было легко извлечь наружу. С помощью этой технологии Фейнберг и его коллеги уже сумели изготовить уменьшенную копию человеческого сердца. Чтобы напечатать сердце в натуральную величину, ученые сконструировали печатное устройство большего размера с удлиненной иглой шприца, и дополнительно укрепили иглу, чтобы она не сгибалась, перемещаясь по слою желатина. 

В качестве материала для печати авторы работы выбрали гидрогель на основе недорогого и биосовместимого альгината кальция — кальциевой соли альгиновой кислоты, которую получают из бурых водорослей. Чтобы подобрать идеальную текстуру материала, ученые опробовали составы с различным содержанием альгината — два, четыре и шесть массовых процентов. Для каждого состава они напечатали три пробных образца — с плотностью заполнения 10, 20 и 30 процентов и сравнили их механические характеристики. Ближе всего к свойствам сердечной ткани оказался состав с четырьмя процентами альгината и высокой плотностью заполнения, его и выбрали для печати модели сердца.

Для изготовления цифровой модели сердец использовали данные магнитно-резонансной томографии. Процесс печати одной модели сердца взрослого пациента занимает четыре дня и еще двенадцать часов нужно, чтобы полностью очистить модель от следов желатина. При желании это время можно сократить, уменьшив плотность заполнения либо выбрав более низкое разрешение печати.

Фейнберг и его коллеги собираются протестировать технологию вместе с практикующими хирургами и после этого, возможно, доработать ее. Кроме того в их планах печать тканей, в которых несколько материалов или типов клеток будут объединены в единую структуру.

Модели, созданные Фейнбергом и его коллегами копируют сердце только структурно, но не содержат человеческих клеток. Создание с помощью 3D-печати полноценного жизнеспособного сердца, которое можно будет пересадить нуждающемуся пациенту — более сложная задача. Тем не менее, определенного успеха в печати живыми клетками ученые уже добились. В прошлом году израильские ученые смогли напечатать уменьшенную копию сердца с сосудами, которая полностью биосовместима с пациентом-донором клеток. Для этого у пациента взяли образцы клеток, превратили их в стволовые клетки, из которых в свою очередь, получили клетки сердечной мышцы. Гидрогель, который составляет основу материала в процессе печати, ученые изготовили из внеклеточного матрикса исходной ткани. В сентябре нынешнего года швейцарские ученые обнаружили, что при определенных условиях стволовые клетки в процессе печати могут самоорганизоваться и формировать жизнеспособные ткани. Это поможет в будущем нивелировать возникающие при печати дефекты.